CN117912970B - 一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，属于集成电路制备技术领域。本发明通过磁控溅射法生成团簇束；再将团簇束沉积到衬底的表面，使团簇均匀的平铺在衬底的表面，形成团簇层；在温度低于传统焊剂材料熔点1/3以下的常压环境中，加热熔化团簇层，并将待键合的晶圆放置在团簇层上，以使衬底和上晶圆相互键合。本发明基于原子团簇焊剂的半导体键合技术基于团簇的流动性可以自适应晶圆表面不平整的形貌，实现对表面不平整晶圆的键合以及拓展到其他同材键合。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制备技术领域，具体为一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法。
背景技术
晶圆键合是近十几年快速发展起来的新兴半导体加工技术，在MEMS，CIS和存储芯片等领域有着重要的应用，得到越来越多的关注。
晶圆键合技术使用两个镜面抛光、干净的晶圆表面连接在一起。目前晶圆键合技术主要有阳极键合、硅片直接键合、共晶键合、热压键合、金属键合、玻璃焊料键合等，上述晶圆键合技术均涉及高温退火。这些工艺由于较高的键合温度导致晶圆发生翘曲工艺复杂，并会对 MEMS器件的性能产生不利影响。 例如，高温会对晶圆上的温度敏感电路和微结构造成热损伤； 高温容易引入杂质，造成衬底掺杂重新分布； 对于热膨胀系数差异较大的两片晶圆，高温处理会导致较大的变形和残余热应力，直接影响器件性能和封装良率；并且，上述键合技术往往需要在高压环境下进行，增加了生产成本。
目前半导体键合技术是一种使用细金属线或介质膜，利用热、压力、超声波能量等方式，将芯片与基板或芯片与芯片间紧密焊合，实现电气互连和信息互通的工艺。现有技术有以下一些缺点：键合过程中可能会产生弹坑、开裂、翘起、剥离等缺陷，影响电性能和机械强度；需要800℃以上高温和800MPa的高压等苛刻条件。
现有技术中存在一种硅片直接键合的一种，称为等离子体活化键合，其大致思路是将氧的离子体照射晶圆表面，并将晶圆加热到500℃以上，使得晶圆表面的硅原子活化，进一步使得两晶圆的表面的硅原子形成Si-Si键，完成键合。但是这种键合方法工艺较为复杂，需要在真空的环境下进行，并且随着温度的升高，键和界面会形成一层氧化层，使得晶圆的电导率变差。
因此，如何提供一种适用于低温的晶圆键合方法且无需在高压或真空环境进行是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，基于原子团簇焊剂的半导体键合技术可实现温度低于传统焊剂材料熔点1/3以下的常压半导体键合。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，其步骤包括：
通过磁控溅射法生成团簇束流；
将生成的团簇束流沉积到衬底的表面，使团簇平铺在衬底的表面上，形成团簇层；
在温度低于传统焊剂材料熔点1/3以下的常压环境中，在10到30分钟之内加热到团簇的熔点以熔化团簇层，并将待键合的晶圆放置在团簇层上，将衬底与待键合的晶圆相互贴合，以使衬底和上晶圆相互键合。当平铺在晶圆表面的团簇粉末达到一定厚度，由于团簇粉末本身的流动性，粉末会自动填充晶圆表面不平整的部分，进而平铺整个晶圆表面，从而避免了晶圆表面不平整对键合结果造成的影响。
优选的，所述磁控溅射法步骤包括：
入射离子并在电场的作用下轰击靶材，使得靶材表面的中性原子或分子获得足够动能脱离靶材表面，产生原子气，作为生成团簇的原材料；可选的，根据键合焊接剂材料的要求，靶材的材料包括但不限于半导体材料硅，金属材料，如金、银、铜等；
原子气与冷凝气体碰撞冷凝，生成团簇；可选的，根据原子气种类的不同，冷凝气体可以是氩气、氦气；
产生的团簇利用巨大压差超声膨胀形成团簇束流；
基于靶材的材料种类，团簇束流的团簇种类包括但不限于半导体原子团簇硅，金属原子团簇，如金、银、铜等。
优选的，所述流沉积到衬底的表面的团簇束流是需要通过离子光学系统中进行静电场聚焦，形成聚焦团簇束流，为实现后续待键合晶圆表面的团簇平铺。
优选的，衬底可以通过样品台的支架连接，通过控制支架可以控制衬底的位置，进而使团簇束流可以沉积到衬底表面的任意位置，进而使团簇均匀地平铺在整个衬底的表面。
优选的，所述衬底种类包括体衬底、半导体衬底叠层结构、半导体衬底外延结构，具体的可以是体衬底或包括半导体材料的叠层结构，如Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底或SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)，还可以包括其他元素或化合物半导体衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等，还可以为其他外延结构，例如SGOI(Silicon Germaniun On Insulator，绝缘体上硅锗)。
优选的，所述待键合的晶圆可以为单个晶圆，也可以为晶圆堆叠，晶圆堆叠中可以有两个及以上的晶圆，待键合的上晶圆中的各晶圆可以为相同的晶圆，可以为不同的晶圆。
其中，尺寸比团簇更小的单原子金属或单原子半导体形成的束流沉积在衬底的表面上结构极不稳定容易团聚，不能作为晶圆键合的键合剂。大尺寸纳米焊剂其熔点与普通的金属或半导体块体基本相同，没有降低熔点的效果。因此团簇更适合作为键合剂。对比等离子体活化键合，团簇键合工艺更为简单，并且不会因为引入氧等离子体导致键合界面出现氧化层，因此这项键合工艺不会影响晶圆的导电性质。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明基于金属团簇、半导体团簇的熔点通常低于传统焊剂材料熔点1/3以下，使得键合温度大大降低，避免了传统键合工艺中由于较高的键合温度导致晶圆发生翘曲，高温易引入杂质，造成晶圆掺杂的重新分布等问题；也避免了对于热膨胀系数差异较大的两个晶圆，经过高温处理后会导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和封装成品率的问题；且键合的过程无需高压，在大气气氛中即可实现键合，大大降低了生产成本。同时，相较于等离子体活化直接键合法，本发明在低温下即可实现二者之间稳定可靠的高强度的直接键合，可有效地避免因二者之间巨大的热膨胀系数差异而使得键合界面开裂以及键合材料断裂现象的发生。此外，基于团簇的流动性，可以自适应晶圆表面不平整的形貌，实现对表面不平整晶圆的键合，相应方法可以拓展到其他同材键合。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例所提供的种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法的工艺流程图；
图2是根据本发明实施例的键合方法形成键合结构过程中的结构示意图；
图中：201、衬底表面；202、待键合的晶圆；203、团簇层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供技术方案，一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法（图1），其步骤包括：
S101:通过磁控溅射法生成团簇束流；
其中，磁控溅射法是指利用磁控溅射团簇束生成装置生成团簇束流，磁控溅射团簇束生成装置可以包括原子气生成室，冷凝室。
在原子气生成室，入射离子，在本实施例中为氩离子，在电场的作用下轰击靶材，使得靶材表面的中性原子或分子获得足够动能脱离靶材表面，产生原子气，作为生成团簇的原材料。
当原子气进入冷凝室。在冷凝室中，通入冷凝气体，冷凝气体与原子气发生碰撞冷凝，生成团簇。
团簇经过冷凝腔出口由于巨大压差超声膨胀形成团簇束流，并在离子光学系统中通过静电场聚焦。
S102:将通过静电场聚焦的团簇束流沉积到衬底的表面，使团簇平铺在衬底的表面上，形成团簇层；
参考图2，示出了根据本发明实施例的键合方法形成键合结构过程中的结构示意图。
在本步骤中，将生成的团簇束流沉积到衬底表面201，由于聚焦的团簇束流均匀且稳定，因此可以将团簇均匀地平铺在衬底表面201上，形成均匀的团簇层203。
在本步骤中，衬底可以通过样品台的支架装置或结构连接，通过控制支架可以控制衬底的位置，进而使团簇束流可以沉积到衬底表面的任意位置，进而使团簇均匀地平铺在整个衬底的表面。
S103: 在温度低于传统焊剂材料熔点1/3以下的常压环境中，在10到30分钟之内加热到团簇的熔点以熔化团簇层，并将待键合的晶圆放置在团簇层上，将衬底与待键合的晶圆相互贴合，以使衬底和上晶圆相互键合，在本步骤中，通过加热使得团簇熔化，冷却后重新凝固，进而使得衬底与待键合的晶圆互相键合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，其特征在于，其半导体键合步骤包括：
通过磁控溅射法生成团簇束流；
将通过磁控溅射法生成的团簇束流在离子光学系统中进行静电场聚焦；
将静电场聚焦后的团簇束流溅射到衬底的表面，使团簇平铺在衬底的表面上，形成团簇层；
在温度低于传统焊剂材料熔点1/3以下的常压环境中，在10到30分钟之内加热到团簇的熔点以熔化团簇层，并将待键合的晶圆放置在团簇层上，将衬底与待键合的晶圆相互贴合，以使衬底和晶圆相互键合。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，其特征在于，所述磁控溅射法步骤包括：
入射离子并在电场的作用下轰击靶材，使得靶材表面的中性原子或分子脱离靶材表面，产生原子气；
原子气与冷凝气体碰撞冷凝，生成团簇；
产生的团簇利用在范围内的压差超声膨胀形成团簇束流。
3.根据权利要求1所述的一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，其特征在于，通过控制衬底的位置来控制团簇束流沉积到衬底表面的位置，进而使团簇均匀地平铺在整个衬底的表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，其特征在于，所述衬底种类包括体衬底、半导体衬底叠层结构、半导体衬底外延结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于原子团簇焊剂的半导体键合方法，其特征在于，所述待键合的晶圆的种类包括单晶圆和晶圆堆叠。
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